Microphotoluminescence investigation of InAs quantum dot active region in 1.3 mu m vertical cavity surface emitting laser structure

Microphotoluminescence (mu-PL) investigation has been performed at room temperature on InAs quantum dot (QD) vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) structure in order to characterize the QD epitaxial structure which was designed for 1.3 mu m wave band emission. Actual and precise QD emission spectra including distinct ground state (GS) and excited state (ES) transition peaks are obtained by an edge-excitation and edge-emission (EEEE) mu-PL configuration. Conventional photoluminescence methods for QD-VCSELs structure analysis are compared and discussed, which indicate the EEEE mu-PL is a useful tool to determine the optical features of the QD active region in an as-grown VCSEL structure. Some experimental results have been compared with simulation results obtained with the aid of the plane-wave admittance method. After adjustment of epitaxial growth according to EEEE mu-PL measurement results, QD-VCSEL structure wafer with QD GS transition wavelength of 1300 nm and lasing wavelength of 1301 nm was obtained.

Parallels plane projection and its geometric features

A new equivalent map projection called the parallels plane projection is proposed in this paper. The transverse axis of the parallels plane projection is the expansion of the equator and its vertical axis equals half the length of the central meridian. On the parallels plane projection, meridians are projected as sine curves and parallels are a series of straight, parallel lines. No distortion of length occurs along the central meridian or on any parallels of this projection. Angular distortion and the proportion of length along meridians (except the central meridian) introduced by the projection transformation increase with increasing longitude and latitude. A potential application of the parallels plane projection is that it can provide an efficient projection transformation for global discrete grid systems.

A discrete square global grid system based on the parallels plane projection

We developed a direct partitioning method to construct a seamless discrete global grid system (DGGS) with any resolution based on a two-dimensional projected plane and the earth ellipsoid. This DGGS is composed of congruent square grids over the projected plane and irregular ellipsoidal quadrilaterals on the ellipsoidal surface. A new equal area projection named the parallels plane (PP) projection derived from the expansion of the central meridian and parallels has been employed to perform the transformation between the planar squares and the corresponding ellipsoidal grids. The horizontal sides of the grids are parts of the parallel circles and the vertical sides are complex ellipsoidal curves, which can be obtained by the inverse expression of the PP projection. The partition strategies, transformation equations, geometric characteristics and distortions for this DGGS have been discussed. Our analysis proves that the DGGS is area-preserving while length distortions only occur on the vertical sides off the central meridian. Angular and length distortions positively correlate to the increase in latitudes and the spanning of longitudes away from a chosen central meridian. This direct partition only generates a small number of broken grids that can be treated individually.

Epitaxial crystallization of sPP on the (100) lattice plane of HDPE crystals

Crystallization behavior of syndiotactic polypropylene(sPP) on the (100) lattice plane of high-density polyethylene(HDPE) crystals was studied by means of transmission electron microscopy and electron diffraction. The results indicate that sPP crystals can grow epitaxially on the (100) PE lattice plane with their chain directions +/-37 degrees apart from the chain direction of the HDPE substrate. The contact planes are (100) lattice planes for both polymers. This kind of epitaxy is explained in terms of parallel alignment of HDPE chains along the rows formed by the {CH3, CH2,CH3} groups in the (100) lattice plane of the sPP crystals. This implies that in the epitaxial crystallization of sPP with fiber oriented HDPE substrate, not only the (110) but also the (100) HDPE lattice planes can act as the oriented nucleation sites. Furthermore, according to the poor matching between HDPE chains in the (100) lattice plane and the {CH3, CH2, CH3} group rows in the (100) lattice plane of the sPP crystals, it is concluded that the geometric matching is not the only controlling factor for the occurrence of polymer epitaxy.

High-gain subwavelength resonant cavity antennas based on metamaterial ground planes

Planar metarnaterial Surfaces with negative reflection phase values are proposed as ground planes in a high-gain resonant cavity antenna configuration. The antenna is formed by the metarnaterial ground plane (MGP) and a superimposed metallodielectric electromagnetic band gap (MEBG) array that acts as a partially reflective surface (PRS). A single dipole positioned between the PRS and the ground IS utilised as the excitation. Ray analysis is employed to describe the functioning of the antennas and to qualitatively predict the effect of the MGP oil the antenna performance. By employing MGPs with negative reflection phase values, the planar antenna profile is reduced to subwavelength values (less than lambda/6) whilst maintaining high directivity. Full-wave simulations have been carried out with commercially available software (Microstripes (TM)). The effect of the finite PRS size on the antenna radiation performance (directivity and sidelobe level) is studied. A prototype has been fabricated and tested experimentally in order to validate the predictions.

Compact ridge waveguide filter with parallel and series-coupled resonators

A novel 3rd-order compact E-plane ridge waveguide filter is presented. Miniaturization is achieved upon introducing a configuration of parallel-coupled E-plane ridge waveguide resonators. Furthermore, the proposed filter allows for transmission zeros at finite frequencies. Fabrication simplicity and mass producibility of standard E-plane filters is maintained. The numerical and experimental results are presented to validate the proposed configuration. A miniaturisation factor of 2 and very sharp upper cutoff are achieved. 2005 Wiley Periodicals, Inc.

Design of a cavity backed spiral antenna with improved pattern symmetry

In this paper we investigate the azimuthal pattern symmetry of an Archimedean spiral antenna which is designed to operate over the frequency range 3-10 GHz. The performance of the spiral in free space is compared with a structure that is backed by a perfect electric conductor with a separation distance of ?/4 at the operating frequencies. The latter arrangement exhibits a higher gain, however it is observed that the radiation patterns are less symmetrical about boresight and this performance degradation increases with frequency. The predicted 3 dB beamwidth difference is shown to vary between 14° (3 GHz) and 51° (10 GHz). An improved antenna design is described which reduces the pattern asymmetry to ˜ 2° at 10 GHz. The reduction in modal contamination is obtained by inserting slots carefully arranged in a radial pattern to disrupt the surface currents that flow on the ground plane of the antenna

Design Method for Circularly Polarized Fabry-Perot Cavity Antennas

A new class of circularly polarized (CP) Fabry-Perot cavity antennas is introduced that maintain the simplicity of a linearly polarized primary feed and a single cavity structure. The proposed antennas employ a double-sided partially reflective surface (PRS), which allows independent control of the magnitude and phase responses for the reflection and transmission coefficients. In conjunction with an anisotropic high-impedance surface (HIS) ground plane, this arrangement allows for the first time a single cavity antenna to produce a specified gain in CP from a linearly polarized primary source. A design procedure for this class of antennas is introduced. The method exploits a simple ray optics model to calculate the magnitude and phase of the electric field in the cavity upon plane wave excitation. Based on this model, analytical expressions are derived, which enforce the resonance condition for both polarizations at a predetermined PRS reflectivity (and hence predetermined antenna gain) together with a 90 degrees differential phase between them. The validity of the concept is confirmed by means of an example entailing an antenna with gain of approximately 21 dB at 15 GHz. Full-wave simulation results and experimental testing on a fabricated prototype are presented and agree well with the theoretical predictions.

Performance enhancement of a wideband spiral antenna using a stepped ground plane

This study presents the use of a stepped ground plane as a means to increase the gain and front-to-back ratio of an Archimedean spiral which operates in the frequency range 3–10 GHz. The backing structure is designed to optimize the antenna performance in discrete 1 GHz bands by placing each of the eight metal steps one quarter wavelength below the corresponding active regions of the spiral. Simulated and experimental results show that this type of ground plane can be designed to enhance the antenna performance over the entire 105% operating bandwidth of the spiral.

Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Plane-to-plane positioning from image-based visual servoing and structured light

In this paper we face the problem of positioning a camera attached to the end-effector of a robotic manipulator so that it gets parallel to a planar object. Such problem has been treated for a long time in visual servoing. Our approach is based on linking to the camera several laser pointers so that its configuration is aimed to produce a suitable set of visual features. The aim of using structured light is not only for easing the image processing and to allow low-textured objects to be treated, but also for producing a control scheme with nice properties like decoupling, stability, well conditioning and good camera trajectory

Forward modelling to determine the observational signatures of white-light imaging and interplanetary scintillation for the propagation of an interplanetary shock in the ecliptic plane

Recent coordinated observations of interplanetary scintillation (IPS) from the EISCAT, MERLIN, and STELab, and stereoscopic white-light imaging from the two heliospheric imagers (HIs) onboard the twin STEREO spacecraft are significant to continuously track the propagation and evolution of solar eruptions throughout interplanetary space. In order to obtain a better understanding of the observational signatures in these two remote-sensing techniques, the magnetohydrodynamics of the macro-scale interplanetary disturbance and the radio-wave scattering of the micro-scale electron-density fluctuation are coupled and investigated using a newly constructed multi-scale numerical model. This model is then applied to a case of an interplanetary shock propagation within the ecliptic plane. The shock could be nearly invisible to an HI, once entering the Thomson-scattering sphere of the HI. The asymmetry in the optical images between the western and eastern HIs suggests the shock propagation off the Sun–Earth line. Meanwhile, an IPS signal, strongly dependent on the local electron density, is insensitive to the density cavity far downstream of the shock front. When this cavity (or the shock nose) is cut through by an IPS ray-path, a single speed component at the flank (or the nose) of the shock can be recorded; when an IPS ray-path penetrates the sheath between the shock nose and this cavity, two speed components at the sheath and flank can be detected. Moreover, once a shock front touches an IPS ray-path, the derived position and speed at the irregularity source of this IPS signal, together with an assumption of a radial and constant propagation of the shock, can be used to estimate the later appearance of the shock front in the elongation of the HI field of view. The results of synthetic measurements from forward modelling are helpful in inferring the in-situ properties of coronal mass ejection from real observational data via an inverse approach.

Rigorous bounds on the nonlinear saturation of instabilities to parallel shear flows

A novel method is presented for obtaining rigorous upper bounds on the finite-amplitude growth of instabilities to parallel shear flows on the beta-plane. The method relies on the existence of finite-amplitude Liapunov (normed) stability theorems, due to Arnol'd, which are nonlinear generalizations of the classical stability theorems of Rayleigh and Fjørtoft. Briefly, the idea is to use the finite-amplitude stability theorems to constrain the evolution of unstable flows in terms of their proximity to a stable flow. Two classes of general bounds are derived, and various examples are considered. It is also shown that, for a certain kind of forced-dissipative problem with dissipation proportional to vorticity, the finite-amplitude stability theorems (which were originally derived for inviscid, unforced flow) remain valid (though they are no longer strictly Liapunov); the saturation bounds therefore continue to hold under these conditions.

Time development of small disturbances to plane Couette Flow

The question of linear sheared-disturbance evolution in constant-shear parallel flow is here reexamined with regard to the temporary-amplification phenomenon noted first by Orr in 1907. The results apply directly to Rossby waves on a beta-plane, and are also relevant to the Eady model of baroclinic instability. It is shown that an isotropic initial distribution of standing waves maintains a constant energy level throughout the shearing process, the amplification of some waves being precisely balanced by the decay of the others. An expression is obtained for the energy of a distribution of disturbances whose wavevectors lie within a given angular wedge and an upper bound derived. It is concluded that the case for ubiquitous amplification made in recent studies may have been somewhat overstated: while carefully-chosen individual Fourier components can amplify considerably before they decay. a general distribution will tend to exhibit little or no amplification.